復(fù)合型干涉光源在牛頓環(huán)實驗中的應(yīng)用

王 然，孫佳欣，吳江紅，任泓霖，魏 薇，謝 靜，沈 環(huán)

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，湖北 武漢 430071)

目前，實驗室中常用的傳統(tǒng)光源有鈉光燈、氦氖激光器等，這些傳統(tǒng)光源具有高耗能、易損耗、壽命短等缺點. 近年來，隨著LED以及固體激光器光源的快速發(fā)展，大學(xué)物理實驗中的光源有了更多更好的選擇. 在大學(xué)物理實驗中，牛頓環(huán)實驗對光源的單色性和相干性要求很高. 因此，基于牛頓環(huán)實驗對LED和固體激光器光源的性能進(jìn)行了檢測和優(yōu)化. 在實驗中，選取了中心波長為630 nm的紅色LED及中心波長為535 nm的綠色固體激光器作為光源，采用窄帶濾波片和毛玻璃使2種光源滿足實驗對光源單色性、相干性、均勻性的要求，并將這2種光源整合組成多功能干涉光源. 相對于傳統(tǒng)光源，此干涉光源耗能低、壽命長、不易損壞且小巧方便，完全可以用在牛頓環(huán)實驗以及其他大學(xué)物理實驗中替代傳統(tǒng)光源.

1 實驗原理與實驗裝置

1.1 牛頓環(huán)實驗原理

牛頓環(huán)是由1塊平面玻璃板與1塊曲率半徑為R的平凸透鏡組成. 平凸透鏡與平面玻璃的間隙處形成空氣薄膜. 當(dāng)光線垂直入射時，經(jīng)空氣薄膜的上下表面的反射會產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋. 用牛頓環(huán)測量平凸透鏡曲率半徑的公式為[1]

式中Ak+m和Ak分別是k+m級和k級暗紋的坐標(biāo)位置，Bk是中心圓斑另一側(cè)第k級暗紋的坐標(biāo)位置，m是相差級次，λ是入射光的波長. 在牛頓環(huán)干涉條紋中，干涉級次越大，條紋寬度就越細(xì)且越密集. 在本實驗中，為了提高實驗精度，選擇k=16,17,18,19,20級次，差級m=10進(jìn)行多次測量.

1.2 光源性能的檢測和優(yōu)化

由圖1中可以看到，3種光源的光強(qiáng)強(qiáng)度均作了歸一化處理. 鈉光燈的中心波長為589 nm，譜寬約3 nm；市場直接購買的紅色LED的中心波長為630 nm，譜寬為17 nm；市場購買的綠色固體激光器的中心波長為535 nm，譜寬為3 nm. 在牛頓環(huán)實驗，當(dāng)譜寬小于10 nm時，干涉級數(shù)超過30的條紋仍然清晰可見，而譜寬為17 nm時，干涉級數(shù)在30左右的條紋出現(xiàn)重疊模糊，不利于實驗中標(biāo)定其坐標(biāo)位置[5-6]. 因此，采用帶寬為(10±2) nm窄帶濾色片對紅色LED的譜寬進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的光譜如圖2所示. 可以看到，優(yōu)化后的LED譜寬可以減小到8 nm，完全符合牛頓環(huán)實驗的需求.

圖1 鈉光燈、LED光源、固體激光器的光譜

圖2 優(yōu)化前后LED光源的光譜

另一方面，牛頓環(huán)實驗需要均勻擴(kuò)散的光入射到整個牛頓環(huán)的表面，這樣才能觀察到高級次的干涉條紋. 直接從市場購買的LED光源，其光源發(fā)散且均勻，符合實驗要求，不需要進(jìn)一步優(yōu)化. 而對于直接從市場購買的固體激光器模塊，其出射光的光斑直徑大約2 mm，僅能顯示出中心暗斑，無法清晰地顯示出其他級次的干涉條紋. 因此，讓固體激光器的出射光先經(jīng)過2片厚度為3 mm的毛玻璃，由于毛玻璃的散射作用，可使出射光更加均勻擴(kuò)散. 將改善優(yōu)化后的2種光源有機(jī)結(jié)合并組裝在一起，形成如圖3所示的多功能光源. 該多功能光源具有2個出光口，每個出光口的光源有獨立的開關(guān)控制器，方便操作和光源的切換. 該多功能光源的光源筒、支架、底座等均采用3D打印機(jī)制作完成，整體結(jié)構(gòu)小巧、輕量.

1.光源筒 2.毛玻璃 3.固體激光 4.LED光 5.濾光片 6.支架 7.底座 8.開關(guān) 9.可變電阻 10.變壓模塊圖3 多功能光源內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2 實驗數(shù)據(jù)及分析

首先采用傳統(tǒng)光源鈉光燈做牛頓環(huán)實驗. 鈉光燈光源的中心波長在589 nm，譜線寬度約3 nm，是目前所使用的傳統(tǒng)光源中單色性最好的. 在實驗中，干涉級數(shù)k取16，17，18，19，20，差級m取10. 實驗中獲得數(shù)據(jù)如表1所示. 在鈉光燈實驗中測得平凸透鏡的曲率半徑為R=(2.030±0.017) m.

表1 用鈉光燈作光源測量牛頓環(huán)的實驗數(shù)據(jù)

然后用優(yōu)化后的LED光源以及固體激光器光源用在牛頓環(huán)實驗,測量平凸透鏡的曲率半徑. 在牛頓環(huán)實驗中的干涉級數(shù)和差級與鈉光燈光源的一致，實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果分別顯示在表2和表3中. 優(yōu)化后的紅色LED光源的中心波長為630 nm，譜寬為8 nm. 在該條件下測得平凸透鏡的曲率半徑R=(2.045±0.025) m. 固體激光器光源的中心波長在535 nm，譜寬為3 nm. 該光源經(jīng)過2片毛玻璃使其均勻發(fā)散. 實驗測量所得平凸透鏡的曲率半徑R=(2.010±0.012) m.

表2 用LED光源作光源測量牛頓環(huán)的實驗數(shù)據(jù)

表3 用固體激光器作光源測量牛頓環(huán)的實驗數(shù)據(jù)

從上述結(jié)果可以看出，將優(yōu)化后的LED光源以及固體激光器光源用在牛頓環(huán)實驗中所獲得的實驗結(jié)果與鈉光燈的實驗結(jié)果非常接近，實驗效果良好. 此外，雖然固體激光器的譜線寬度和鈉光燈的譜線寬度相近，但是固體激光器光源的測量結(jié)果的不確定度最小. 這可能是由于所選用的半導(dǎo)體激光的中心波長在535 nm，人眼對該波長的光最敏感，在一定程度上也會減少誤差提高測量精度.

3 結(jié)束語

測量了大學(xué)物理實驗中常用的傳統(tǒng)光源鈉光燈與新型光源LED光源以及固體激光器光源的光譜特性. 根據(jù)測量結(jié)果對LED和固體激光器的譜寬以及光斑特性進(jìn)行了優(yōu)化，并將這2種光源整合，設(shè)計制作了多功能干涉光源. 將該光源用在牛頓環(huán)實驗上，并與鈉光燈結(jié)果相比較，實驗效果良好. 該多功能光源除了能應(yīng)用在牛頓環(huán)的實驗中，還可以用在分光計、漫反射全息攝影、邁克耳孫干涉儀等其他光學(xué)實驗中.